Fluent在工业结晶领域中的应用

刘玉智，刘睿杰，李赛钰，陈立宗，丁尚志，陈 辉，郝 翠，孙芸芸

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省分析测试中心，山东 济南 250014；2.山东蓝城分析测试有限公司，山东 济南 250102；3.曲阜师范大学 软件学院，山东 曲阜 273165)

1 流体力学基础

流体力学计算的理论基础即化工中常用的守恒方程：质量守恒方程、动量守恒方程与能量守恒方程。

2 有限体积法

在有限体积法中将所计算的区域划分成一系列控制体积，每个控制体积都由一个节点做代表，通过将守恒型的控制方程对控制体积做积分来导出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成做出假定，这种构成的方式就是有限体积法中的离散格式。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，是目前流动与传热问题数值计算中应用最广泛的一种方法。

3 Fluent的建模思路

4 Fluent的应用概述

Fluent的应用包括各种优化物理模型，如计算流体流动和热传导模型(包括自然对流、定常和非定常流动，层流，湍流，不可压缩和可压缩流动，周期流，旋转流及时间相关流等)，辐射模型，相变模型，离散相变模型，多相流模型及化学组分运输和反应流模型等。Fluent含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高速音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域。

5 Fluent在结晶领域的应用

5.1 结晶器的设计

在结晶的放大过程中，由于反应釜的大小、形状、材质等多方面条件都有可能有所不同，所以可能使放大结果与小试结果产生一定的偏差。通过CFD模拟可以计算出放大后与小试实验时达到相同混合效果所需要的搅拌参数。也可以考察不同尺寸结晶器内固液、液液相的混合情况，为结晶器的设计提供参考基础。该方法已经得到了广泛的应用，如刘作华、银建中等[1]通过实验证实，搅拌桨的形状、层数以及其在反应釜中的安装高度等均对反应釜内的流体流动有一定的影响。Bujalshi W 等[2]应用CFD技术讨论了双层搅拌桨的反应釜内的流体混合过程。S. Murthy Shekhar等[3]使用CFD研究了反应釜内搅拌桨的能耗。汤俊杰等[4]运用Fluent 15.0软件对结晶器不同结构进行模拟，其中包含搅拌桨桨型、搅拌桨安装高度、双层桨时两桨之间的距离以及单双桨的选择，最终得出PBT桨型、桨高H/4、桨间间距932.125 mm时较好的结论。

5.2 结晶釜不同位置的参数确定

结晶过程中，反应液在反应釜中分布位置各不相同，有在搅拌桨上部、下部，或是靠近搅拌桨、远离搅拌桨等情况之分。运用Fluent对数据经行分析，可以得到反应釜中不同位置的混合参数，如流速、压力等。以CFD为理论基础运用Fluent模拟软件模拟结晶器内的流体状态，可以考察固相、液相流体的分布及不同颗粒尺寸、不同搅拌速度对悬浮状态的影响。应用k-ε湍流模型和Schiller Naumann曳力模型对结晶器内的固液体系进行模拟，得到如下结论：在同一搅拌条件下，结晶器内固体粒径的大小对颗粒在结晶器内的分布有较大影响，固体体积分数较高的颗粒分布在结晶器靠近底部的位置，而固体体积分数较小的颗粒悬浮在结晶器内的固液体系中；搅拌强度会影响结晶器内的流体流速和固液体系的悬浮状态。搅拌速度越快，结晶器内的固体悬浮性越好。但是，在实际工业结晶过程中，搅拌强度过高时，搅拌桨附近会形成较强的局部湍流，使体系中晶体与晶体和晶体与结晶器直接相互碰撞加剧，导致晶体生长受阻。

5.3 结晶过程的工艺放大

对于放大实验，通过改变搅拌条件与反应釜的形式，可使其达到与小试等同的混合状态，该过程便可用CFD进行模拟。马泽文等[5]运用Fluent模拟软件模拟了1～4 L结晶搅拌反应釜的流场分析。发现在反应釜中的中下部反应液混合比较均匀，但在反应釜中上部流场分布均匀性较差。将反应釜的搅拌桨由单桨变为双层桨，对改造后的反应釜进行搅拌水溶液的单项流场进行三维仿真模拟，结果表明，双层桨对于反应釜内反应液混合均匀性的提升有一定的作用。同时，在反应釜底部安装挡板可以解决“搅拌死区”的问题。

6 结语

计算流体力学几乎适用于所有关于流体和传热的情况。基于CFD的Fluent模拟对于结晶过程研究、放大实验参数的确定和结晶器的设计均有指导作用。